دیتاشیت فوتودیود PD95-21B/TR10 - بسته‌بندی گرد SMD با قطر 1.9 میلی‌متر - لنز مشکی - حساسیت اوج در 940 نانومتر - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

PD95-21B/TR10 یک قطعه زیرمینی‌اتوری و نصب‌سطحی (SMD) است که برای کاربردهای حسگری نور با عملکرد بالا طراحی شده است. این قطعه یک فوتودیود سیلیکونی از نوع PIN است که یک جزء نیمه‌هادی پایه‌ای بوده و انرژی نور را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کند. این قطعه در یک بسته‌بندی گرد فشرده با قطر 1.9 میلی‌متر و با پیکربندی پایه‌های "خم Z" متمایز قرار گرفته که آن را برای فرآیندهای مونتاژ خودکار مناسب می‌سازد. روی بسته‌بندی یک لنز پلاستیکی مشکی قرار دارد که به تعریف زاویه دید کمک کرده و مقداری محافظت محیطی فراهم می‌کند. عملکرد اصلی آن تشخیص تابش مادون قرمز است، که ویژگی‌های طیفی آن به طور خاص برای تطابق با دیودهای ساطع‌کننده مادون قرمز (IRED) متداول تنظیم شده و آن را به یک جزء گیرنده ایده‌آل در سیستم‌های اپتوالکترونیک تبدیل می‌کند.

2. ویژگی‌های کلیدی و کاربردها

2.1 مزایای اصلی

این فوتودیود چندین مزیت عملکردی حیاتی برای طراحی الکترونیک مدرن ارائه می‌دهد:

• زمان پاسخ سریع:ساختار PIN، با ناحیه ذاتی (I) خود، امکان جمع‌آوری سریع حامل‌ها را فراهم کرده و به قطعه اجازه می‌دهد به سرعت به تغییرات شدت نور پاسخ دهد. این امر برای ارتباطات داده‌ای، تشخیص پالس و حسگری پرسرعت ضروری است.
• حساسیت نوری بالا:این قطعه به طور کارآمد از سطوح پایین نور فرودی (تابندگی) جریان الکتریکی قابل اندازه‌گیری تولید می‌کند و نسبت سیگنال به نویز در مدارهای تشخیص را بهبود می‌بخشد.
• ظرفیت پیوند کوچک:ظرفیت پایین برای حفظ پهنای باند بالا و پاسخ سریع حیاتی است، زیرا ثابت زمانی RC مدار تشخیص را به حداقل می‌رساند.
• سازگاری قوی با فرآیندهای تولید:این قطعه برای مقاومت در برابر فرآیندهای استاندارد لحیم‌کاری رفلو مادون قرمز و فاز بخار طراحی شده و مونتاژ قابل اعتماد PCB را تسهیل می‌کند.
• انطباق محیطی:این قطعه بدون سرب (Pb-free) است، با مقررات REACH اتحادیه اروپا مطابقت دارد و الزامات بدون هالوژن (Br <900 ppm, Cl <900 ppm, Br+Cl <1500 ppm) را برآورده می‌کند که با استانداردهای جهانی محیط زیست و ایمنی همسو است.

2.2 کاربردهای هدف

این فوتودیود برای سیستم‌هایی که نیاز به تشخیص مطمئن مادون قرمز دارند طراحی شده است. حوزه‌های کاربرد معمول شامل موارد زیر می‌شود:

• سیستم‌های کاربردی مادون قرمز:این طیف وسیعی را در بر می‌گیرد، از جمله کنترل‌های از راه دور، سنسورهای مجاورتی، تشخیص شیء و کلیدهای نوری قطع‌کننده.
• کپی‌برها و پرینترها:برای تشخیص کاغذ، حس‌گری سطح تونر و مکانیزم‌های اسکن که در آن‌ها تشخیص دقیق نور بازتابیده یا عبوری مورد نیاز است، استفاده می‌شود.
• سنسورهای خودرویی:برای پروژه‌های حس‌گری غیرحیاتی درون خودرو، مانند سنسور باران، سنسور گرگ و میش یا تشخیص اشغال فضای داخلی مناسب است، که در آن‌ها قابلیت اطمینان در یک محدوده دمایی مهم است.

3. تحلیل پارامترهای فنی

3.1 مقادیر حداکثر مطلق

این محدودیت‌ها شرایط تنشی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن‌ها ممکن است آسیب دائمی رخ دهد. عملکرد همیشه باید در این حدود باشد.

• ولتاژ معکوس (V_R):32 ولت. حداکثر ولتاژی که می‌توان به صورت بایاس معکوس در دو سر دیود اعمال کرد بدون آن‌که باعث شکست شود.
• دمای عملیاتی (T_opr):25- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد. محدوده دمای محیطی که قطعه برای عملکرد صحیح در آن مشخص شده است.
• دمای ذخیره‌سازی (T_stg):40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد. محدوده دمایی برای ذخیره‌سازی در حالت غیرعملیاتی.
• دمای لحیم‌کاری (T_sol):260 درجه سانتی‌گراد برای حداکثر 5 ثانیه. این حداکثر تحمل دمای اوج در طول لحیم‌کاری رفلو را تعریف می‌کند.
• توان تلف شده (P_d):150 میلی‌وات در دمای 25 درجه سانتی‌گراد. حداکثر توانی که قطعه می‌تواند به صورت حرارت به طور ایمن تلف کند.

3.2 مشخصه‌های الکترواپتیکی (دمای محیط=25 درجه سانتی‌گراد)

این پارامترها عملکرد قطعه را تحت شرایط عملیاتی معمول تعریف می‌کنند.

• پهنای باند طیفی (λ_0.5):730 نانومتر تا 1100 نانومتر. این محدوده طول موجی است که در آن پاسخ‌دهی فوتودیود حداقل نصف مقدار اوج خود است. این تأیید می‌کند که قطعه در سراسر طیف مادون قرمز نزدیک حساس است.
• طول موج حساسیت اوج (λ_P):940 نانومتر (مقدار معمول). طول موج نوری که فوتودیود در آن بیشترین حساسیت را دارد. این به طور کامل با قله انتشار بسیاری از LEDهای مادون قرمز استاندارد GaAlAs هماهنگ است.
• جریان اتصال کوتاه (I_SC):4 میکروآمپر (مقدار معمول) در E_e=1 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع، λ=875 نانومتر. جریانی که هنگامی که پایه‌های فوتودیود اتصال کوتاه شده‌اند (ولتاژ بایاس صفر) تولید می‌شود. این یک اندازه‌گیری مستقیم از بازده تولید فوتوجریان است.
• جریان نور معکوس (I_L):4 میکروآمپر (مقدار معمول) در E_e=1 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع، λ=875 نانومتر، V_R=5 ولت. جریانی که تحت بایاس معکوس و هنگام روشنایی جاری می‌شود. عملکرد در بایاس معکوس (حالت فوتوهادی) عموماً پاسخ سریع‌تر و خروجی خطی‌تری نسبت به بایاس صفر (حالت فوتوولتائیک) ارائه می‌دهد.
• جریان تاریکی معکوس (I_D):10 نانوآمپر (حداکثر) در V_R=10 ولت. جریان نشتی کوچکی که تحت شرایط بایاس معکوس در تاریکی کامل جاری می‌شود. جریان تاریکی پایین برای تشخیص سیگنال‌های نور ضعیف حیاتی است، زیرا نشان‌دهنده سطح نویز پایه قطعه است.
• ولتاژ شکست معکوس (V_BR):32 ولت (حداقل)، 170 ولت (مقدار معمول). ولتاژی که در آن جریان معکوس به شدت افزایش می‌یابد. قطعه هرگز نباید نزدیک به این نقطه مورد بهره‌برداری قرار گیرد.

4. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت به منحنی‌های عملکرد معمول اشاره می‌کند که بینش عمیق‌تری نسبت به مشخصات تک‌نقطه‌ای ارائه می‌دهند.

4.1 حساسیت طیفی (شکل 1)

این منحنی به صورت گرافیکی پاسخ‌دهی فوتودیود را به عنوان تابعی از طول موج نور فرودی نشان می‌دهد. یک منحنی زنگوله‌ای شکل را نشان خواهد داد که در حدود 940 نانومتر به اوج می‌رسد و به سمت نقاط مشخص شده 730 نانومتر و 1100 نانومتر در نصف حساسیت اوج کاهش می‌یابد. این منحنی برای تطابق فوتودیود با یک منبع نور خاص ضروری است تا حداکثر قدرت سیگنال تضمین شود.

4.2 جریان نور معکوس در مقابل تابندگی (شکل 2)

این نمودار رابطه بین فوتوجریان تولید شده (I_L) و چگالی توان نور فرودی (E_e) را نشان می‌دهد. برای یک فوتودیود PIN با طراحی خوب که در ناحیه خطی خود عمل می‌کند، این رابطه باید بسیار خطی باشد. شیب این خط نشان‌دهنده پاسخ‌دهی فوتودیود (معمولاً بر حسب آمپر بر وات) است. این خطی‌بودن برای کاربردهای اندازه‌گیری نور آنالوگ حیاتی است.

5. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

5.1 ابعاد بسته‌بندی

این قطعه یک بسته‌بندی گرد با قطر 1.9 میلی‌متر است. نقشه‌های مکانیکی دقیق در دیتاشیت ارائه شده‌اند که تمام ابعاد حیاتی از جمله قطر بدنه، ارتفاع، فاصله پایه‌ها و ابعاد پایه‌ها را مشخص می‌کنند. تمام ابعاد بر حسب میلی‌متر و با تلرانس استاندارد ±0.1 میلی‌متر است مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. سبک پایه "خم Z" برای ارائه یک جای پایه پایدار برای نصب سطحی و کاهش تنش مکانیکی طراحی شده است.

5.2 شناسایی قطبیت

فوتودیود یک جزء قطبی است. نقشه دیتاشیت به وضوح پایه‌های کاتد و آند را نشان می‌دهد. قطبیت صحیح باید در طول مونتاژ برد مدار برای عملکرد صحیح در پیکربندی بایاس معکوس رعایت شود.

5.3 مشخصات نوار حامل و قرقره

برای مونتاژ خودکار، قطعات در نوار حامل و قرقره عرضه می‌شوند. دیتاشیت شامل ابعاد حفره‌های نوار حامل، قطر قرقره و جهت‌گیری است. مقدار بسته‌بندی استاندارد 1000 عدد در هر قرقره است.

6. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

6.1 ذخیره‌سازی و حساسیت به رطوبت

فوتودیود به رطوبت حساس است. باید اقدامات احتیاطی برای جلوگیری از پاپ‌کورنینگ یا لایه‌لایه شدن در طول لحیم‌کاری رفلو انجام شود:

• کیسه‌های بازنشده را در دمای ≤30°C و رطوبت نسبی ≤90% ذخیره کنید.
• قطعات را در عرض یک سال استفاده کنید.
• پس از باز کردن، در دمای ≤30°C و رطوبت نسبی ≤70% ذخیره کنید.
• در عرض 168 ساعت (7 روز) پس از باز کردن کیسه ممانعت‌کننده رطوبت استفاده کنید.
• اگر زمان ذخیره‌سازی بیش از حد شد یا سیلیکاژل نشان‌دهنده نفوذ رطوبت بود، قبل از استفاده به مدت 24 ساعت در دمای 60±5°C پخت (بیک) انجام دهید.

6.2 پروفیل دمایی لحیم‌کاری رفلو

یک پروفیل دمایی لحیم‌کاری رفلو بدون سرب توصیه می‌شود. پروفیل باید کنترل شود تا اطمینان حاصل شود دمای اوج بدنه بیش از 260 درجه سانتی‌گراد برای بیشتر از 5 ثانیه نمی‌شود. لحیم‌کاری رفلو نباید بیش از دو بار انجام شود تا از آسیب حرارتی به بسته‌بندی پلاستیکی و تراشه نیمه‌هادی جلوگیری شود.

6.3 لحیم‌کاری دستی و تعمیر مجدد

در صورت لزوم لحیم‌کاری دستی، دقت بسیار زیادی مورد نیاز است:

• از هویه‌ای با دمای زیر 350 درجه سانتی‌گراد و توان زیر 25 وات استفاده کنید.
• زمان تماس برای هر پایه را به 3 ثانیه محدود کنید.
• بین لحیم‌کاری هر پایه، یک فاصله خنک‌کننده حداقل 2 ثانیه‌ای بگذارید.
• از اعمال تنش مکانیکی روی قطعه در حین گرمایش خودداری کنید.
• تعمیر مجدد به شدت توصیه نمی‌شود. اگر اجتناب‌ناپذیر است، باید از یک هویه دو سر تخصصی برای گرم کردن همزمان هر دو پایه استفاده شود تا از تنش حرارتی جلوگیری شود. عملکرد قطعه پس از هر تلاش برای تعمیر مجدد باید تأیید شود.

6.4 ملاحظات طراحی برد مدار

پس از لحیم‌کاری، برد مدار نباید تاب بردارد یا خم شود، زیرا این می‌تواند تنش را به تراشه نیمه‌هادی شکننده یا اتصالات لحیم منتقل کرده و به طور بالقوه باعث خرابی شود.

7. ملاحظات طراحی کاربرد

7.1 محافظت در برابر جریان بیش از حد

یک نکته طراحی حیاتی: فوتودیود خود به خود محدودکننده جریان داخلی ندارد. هنگامی که در بایاس معکوس کار می‌کند، حتی یک افزایش کوچک در ولتاژ می‌تواند در صورت قرارگیری قطعه در معرض نور، باعث افزایش زیاد و بالقوه مخرب جریان شود. بنابراین، یک مقاومت سری خارجیبایددر مدار بایاس استفاده شود تا حداکثر جریان تحت شرایط روشنایی شدید محدود شده و از سوختن جلوگیری شود.

7.2 بایاسینگ و مدارهای واسط

فوتودیود می‌تواند در دو حالت اصلی استفاده شود:

1. حالت فوتوهادی (بایاس معکوس):اعمال یک ولتاژ بایاس معکوس (مثلاً 5 ولت مانند شرایط آزمایش) ناحیه تخلیه را گسترش می‌دهد، ظرفیت پیوند را کاهش داده و زمان پاسخ را تسریع می‌کند. این حالت ترجیحی برای کاربردهای پرسرعت و خطی است. خروجی یک منبع جریان است که معمولاً با استفاده از یک تقویت‌کننده ترانسیمپدانس (TIA) به ولتاژ تبدیل می‌شود.
2. حالت فوتوولتائیک (بایاس صفر):فوتودیود هنگام روشنایی ولتاژ خود را تولید می‌کند و مانند یک سلول خورشیدی عمل می‌کند. این حالت جریان تاریکی بسیار پایینی ارائه می‌دهد اما پاسخ کندتر و خطی‌بودن کمتری دارد. برای اندازه‌گیری نور با فرکانس پایین که در آن سادگی کلیدی است مناسب است.

7.3 طراحی نوری

لنز مشکی یک زاویه دید مشخص فراهم می‌کند. برای عملکرد بهینه، طراحی سیستم باید تراز بین منبع نور مادون قرمز (مانند یک LED) و فوتودیود، و همچنین منابع بالقوه تداخل نور محیطی (مانند نور خورشید، لامپ‌های رشته‌ای) که در محدوده طیفی آن قرار می‌گیرند را در نظر بگیرد. فیلترهای نوری ممکن است در محیط‌های با نور محیطی بالا ضروری باشند.

8. مقایسه فنی و انتخاب

PD95-21B/TR10 متعلق به دسته‌ای از فوتودیودهای سیلیکونی با لنز مشکی است. هنگام انتخاب یک فوتودیود، مهندسان باید پارامترهای کلیدی را در برابر الزامات کاربرد مقایسه کنند: سرعت پاسخ (مرتبط با ظرفیت و بایاس)، حساسیت (I_L)، تطابق طیفی با منبع نور، اندازه بسته‌بندی و استحکام محیطی. ترکیب اندازه کوچک، حساسیت خوب، پاسخ سریع و سازگاری SMD این قطعه، آن را به یک کاندید قوی برای کاربردهای حسگری مادون قرمز مصرفی و صنعتی با حجم بالا و محدودیت فضا تبدیل می‌کند که در آن‌ها قابلیت اطمینان و هزینه متعادل هستند.

9. اصول عملیاتی

یک فوتودیود PIN یک دستگاه نیمه‌هادی با ساختار سه لایه است: سیلیکون نوع P، ذاتی (بدون آلایش) و نوع N. هنگامی که فوتون‌هایی با انرژی بیشتر از گاف باند سیلیکون به ناحیه ذاتی برخورد می‌کنند، جفت‌های الکترون-حفره ایجاد می‌کنند. در یک دیود PIN با بایاس معکوس، میدان الکتریکی در ناحیه ذاتی گسترده، این حامل‌ها را به پایه‌های مربوطه خود می‌راند و یک فوتوجریان متناسب با شدت نور فرودی تولید می‌کند. ناحیه ذاتی گسترده کلید عملکرد آن است: یک ناحیه تخلیه بزرگ برای جذب فوتون ایجاد می‌کند (حساسیت را افزایش می‌دهد) و ظرفیت پیوند را کاهش می‌دهد (سرعت را افزایش می‌دهد).

10. سلب مسئولیت و نکات استفاده

اطلاعات ارائه شده در یک دیتاشیت، مشخصات سازنده در زمان انتشار را نشان می‌دهد. منحنی‌های عملکرد معمول برای مرجع هستند و مقادیر حداقل یا حداکثر تضمین شده را نشان نمی‌دهند. مسئولیت طراح است که قطعه را در محدوده مقادیر حداکثر مطلق آن به کار ببرد و عملکرد را در کاربرد نهایی خاص تأیید کند. این محصول عموماً برای استفاده در سیستم‌های حیاتی ایمنی، پشتیبان حیات، نظامی یا سیستم‌های اولیه خودرویی بدون صلاحیت‌یابی و تأیید صریح از سوی سازنده قطعه در نظر گرفته نشده است.